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Raspberry Pi

Raspberry Pi はシングルボードコンピュータです。さまざまなデバイスやエコシステムを使用してセンサーやアクチュエータを追加することができ、このレッスンでは Grove というハードウェアエコシステムを使用します。Pythonを使ってRaspberry Piをプログラミングし、Groveセンサーにアクセスします。

セットアップ

Raspberry PiをIoTハードウェアとして使用する場合、2つの選択肢があります。これらのレッスンをすべて進めてPi上で直接コードを書くか、ヘッドレスのPiにリモート接続してコンピュータからコードを書くかです。

始める前に、Grove Base HatをPiに接続する必要があります。

タスク - セットアップ

Grove Base HatをPiに取り付け、Piを設定します。

Grove Base HatをPiに接続します。HatのソケットはPiのすべてのGPIOピンにフィットし、ピンにしっかりと差し込むことができます。HatはPiの上に取り付けられ、Piを覆います。
Piをどのようにプログラミングするかを決め、以下の該当するセクションに進んでください：
- Pi上で直接作業する
- リモートアクセスでPiをプログラミングする

Pi上で直接作業する

Pi上で直接作業したい場合は、Raspberry Pi OSのデスクトップ版を使用し、必要なツールをすべてインストールできます。

タスク - Pi上で直接作業する

開発用にPiをセットアップします。

Raspberry Piセットアップガイドの指示に従い、Piをセットアップし、キーボード/マウス/モニターに接続し、WiFiまたはイーサネットネットワークに接続し、ソフトウェアを更新します。

Groveセンサーやアクチュエータを使用してPiをプログラミングするには、デバイスコードを書くためのエディタや、Groveハードウェアと連携するためのさまざまなライブラリやツールをインストールする必要があります。

Piが再起動したら、トップメニューバーのTerminalアイコンをクリックするか、Menu -> Accessories -> Terminalを選択してターミナルを起動します。
次のコマンドを実行して、OSとインストール済みソフトウェアを最新の状態にします：
```
sudo apt update && sudo apt full-upgrade --yes
```
次のコマンドを実行して、Groveハードウェアに必要なすべてのライブラリをインストールします：
```
sudo apt install git python3-dev python3-pip --yes

git clone https://github.com/Seeed-Studio/grove.py
cd grove.py
sudo pip3 install .

sudo raspi-config nonint do_i2c 0
```
これにより、GitとPythonパッケージをインストールするためのPipがインストールされます。

Pythonの強力な機能の1つは、Pipパッケージをインストールできることです。これらは他の人が書いたコードのパッケージで、インターネット上に公開されています。1つのコマンドでPipパッケージをコンピュータにインストールし、そのパッケージをコードで使用できます。

Seeed Grove Pythonパッケージはソースからインストールする必要があります。これらのコマンドは、このパッケージのソースコードを含むリポジトリをクローンし、それをローカルにインストールします。

💁 通常、パッケージをインストールすると、コンピュータ全体で利用可能になりますが、これによりパッケージのバージョンに関する問題が発生する可能性があります。たとえば、あるアプリケーションが特定のバージョンのパッケージに依存している場合、新しいバージョンを別のアプリケーションのためにインストールすると壊れることがあります。この問題を回避するために、Python仮想環境を使用できます。これは専用フォルダ内のPythonのコピーで、Pipパッケージをそのフォルダ内にのみインストールします。ただし、Piを使用する際には仮想環境を使用しません。GroveインストールスクリプトはGrove Pythonパッケージをグローバルにインストールするため、仮想環境を使用する場合は仮想環境を設定し、その環境内でGroveパッケージを手動で再インストールする必要があります。特に多くのPi開発者が各プロジェクトのためにクリーンなSDカードを再フラッシュするため、グローバルパッケージを使用する方が簡単です。

最後に、I²Cインターフェースを有効にします。
メニューを使用するか、ターミナルで次のコマンドを実行してPiを再起動します：
```
sudo reboot
```
Piが再起動したら、再度ターミナルを起動し、次のコマンドを実行してVisual Studio Code (VS Code) をインストールします。これはPythonでデバイスコードを書くために使用するエディタです。
```
sudo apt install code
```
インストールが完了すると、VS Codeはトップメニューから利用可能になります。

💁 これらのレッスンではVS Codeを使用する指示が記載されていますが、好みのPython IDEやエディタを使用しても構いません。
Pylanceをインストールします。これはPython言語サポートを提供するVS Codeの拡張機能です。Pylance拡張機能のドキュメントを参照して、この拡張機能をVS Codeにインストールする方法を確認してください。

リモートアクセスでPiをプログラミングする

Pi上で直接コードを書く代わりに、キーボード/マウス/モニターに接続せずに「ヘッドレス」で動作させ、コンピュータからVisual Studio Codeを使用して設定やコードを書くことができます。

Pi OSのセットアップ

リモートでコードを書くには、Pi OSをSDカードにインストールする必要があります。

タスク - Pi OSのセットアップ

ヘッドレスPi OSをセットアップします。

Raspberry Pi OSソフトウェアページからRaspberry Pi Imagerをダウンロードしてインストールします。
必要に応じてアダプタを使用して、SDカードをコンピュータに挿入します。
Raspberry Pi Imagerを起動します。
Raspberry Pi ImagerでCHOOSE OSボタンを選択し、*Raspberry Pi OS (Other)*を選択した後、*Raspberry Pi OS Lite (32-bit)*を選択します。

💁 Raspberry Pi OS Liteは、デスクトップUIやUIベースのツールが含まれていないRaspberry Pi OSのバージョンです。ヘッドレスPiにはこれらは必要なく、インストールサイズが小さくなり、起動時間が短縮されます。
CHOOSE STORAGEボタンを選択し、SDカードを選択します。
Ctrl+Shift+Xを押してAdvanced Optionsを起動します。これらのオプションを使用すると、Raspberry Pi OSをSDカードに書き込む前にいくつかの事前設定が可能です。
1. Enable SSHチェックボックスをオンにし、piユーザーのパスワードを設定します。このパスワードは後でPiにログインする際に使用します。
2. PiにWiFiで接続する予定がある場合は、Configure WiFiチェックボックスをオンにし、WiFiのSSIDとパスワードを入力し、WiFiの国を選択します。イーサネットケーブルを使用する場合はこれを行う必要はありません。接続するネットワークがコンピュータと同じであることを確認してください。
3. Set locale settingsチェックボックスをオンにし、国とタイムゾーンを設定します。
4. SAVEボタンを選択します。
WRITEボタンを選択してOSをSDカードに書き込みます。macOSを使用している場合、ディスクイメージを書き込むためのツールが特権アクセスを必要とするため、パスワードの入力を求められます。

OSがSDカードに書き込まれると、完了後にOSによってカードが取り出され、通知されます。SDカードをコンピュータから取り外し、Piに挿入して電源を入れ、約2分間待って完全に起動するのを待ちます。

Piに接続する

次のステップはPiにリモートアクセスすることです。これは、macOS、Linux、および最近のWindowsバージョンで利用可能なsshを使用して行うことができます。

タスク - Piに接続する

Piにリモートアクセスします。

ターミナルまたはコマンドプロンプトを起動し、次のコマンドを入力してPiに接続します：
```
ssh pi@raspberrypi.local
```
古いバージョンのWindowsを使用していてsshがインストールされていない場合は、OpenSSHを使用できます。OpenSSHインストールドキュメントにインストール手順が記載されています。
Piに接続されると、パスワードの入力を求められます。

<hostname>.localを使用してネットワーク上のコンピュータを見つける機能は、LinuxやWindowsでは比較的新しい機能です。LinuxまたはWindowsを使用していて、ホスト名が見つからないというエラーが発生した場合は、ZeroConfネットワーキング（AppleではBonjourと呼ばれる）を有効にするための追加ソフトウェアをインストールする必要があります：
1. Linuxを使用している場合は、次のコマンドを使用してAvahiをインストールします：
```
sudo apt-get install avahi-daemon
```
2. Windowsを使用している場合、ZeroConfを有効にする最も簡単な方法は、Bonjour Print Services for Windows をインストールすることです。また、iTunes for Windows をインストールして、より新しいバージョンのユーティリティを取得することもできます（スタンドアロンでは利用できません）。
💁 raspberrypi.localを使用して接続できない場合は、PiのIPアドレスを使用できます。Raspberry Pi IPアドレスドキュメントを参照して、IPアドレスを取得するさまざまな方法を確認してください。
Raspberry Pi Imager Advanced Optionsで設定したパスワードを入力します。

Pi上のソフトウェアを設定する

Piに接続したら、OSを最新の状態にし、Groveハードウェアと連携するためのさまざまなライブラリやツールをインストールする必要があります。

タスク - Pi上のソフトウェアを設定する

インストールされたPiソフトウェアを設定し、Groveライブラリをインストールします。

sshセッションから次のコマンドを実行してPiを更新し、再起動します：
```
sudo apt update && sudo apt full-upgrade --yes && sudo reboot
```
Piが更新され、再起動されます。Piが再起動されるとsshセッションは終了するため、約30秒待ってから再接続してください。
再接続したsshセッションから、次のコマンドを実行してGroveハードウェアに必要なすべてのライブラリをインストールします：
```
sudo apt install git python3-dev python3-pip --yes

git clone https://github.com/Seeed-Studio/grove.py
cd grove.py
sudo pip3 install .

sudo raspi-config nonint do_i2c 0
```
これにより、GitとPythonパッケージをインストールするためのPipがインストールされます。

Pythonの強力な機能の1つは、Pipパッケージをインストールできることです。これらは他の人が書いたコードのパッケージで、インターネット上に公開されています。1つのコマンドでPipパッケージをコンピュータにインストールし、そのパッケージをコードで使用できます。

Seeed Grove Pythonパッケージはソースからインストールする必要があります。これらのコマンドは、このパッケージのソースコードを含むリポジトリをクローンし、それをローカルにインストールします。

💁 通常、パッケージをインストールすると、コンピュータ全体で利用可能になりますが、これによりパッケージのバージョンに関する問題が発生する可能性があります。たとえば、あるアプリケーションが特定のバージョンのパッケージに依存している場合、新しいバージョンを別のアプリケーションのためにインストールすると壊れることがあります。この問題を回避するために、Python仮想環境を使用できます。これは専用フォルダ内のPythonのコピーで、Pipパッケージをそのフォルダ内にのみインストールします。ただし、Piを使用する際には仮想環境を使用しません。GroveインストールスクリプトはGrove Pythonパッケージをグローバルにインストールするため、仮想環境を使用する場合は仮想環境を設定し、その環境内でGroveパッケージを手動で再インストールする必要があります。特に多くのPi開発者が各プロジェクトのためにクリーンなSDカードを再フラッシュするため、グローバルパッケージを使用する方が簡単です。

最後に、I²Cインターフェースを有効にします。
次のコマンドを実行してPiを再起動します：
```
sudo reboot
```
Piが再起動されるとsshセッションは終了します。再接続する必要はありません。

リモートアクセス用にVS Codeを設定する

Piが設定されたら、コンピュータからVisual Studio Code (VS Code) を使用して接続できます。これは、Pythonでデバイスコードを書くために使用する無料の開発者向けテキストエディタです。

タスク - リモートアクセス用にVS Codeを設定する

必要なソフトウェアをインストールし、Piにリモート接続します。

VS Codeドキュメントに従って、コンピュータにVS Codeをインストールします。
VS Codeリモート開発（SSH使用）ドキュメントの指示に従って、必要なコンポーネントをインストールします。
同じ指示に従って、VS CodeをPiに接続します。
接続後、拡張機能の管理の指示に従って、Pylance拡張機能をPiにリモートでインストールします。

Hello world

新しいプログラミング言語や技術を始める際には、伝統的に「Hello World」アプリケーションを作成します。これは、すべてのツールが正しく設定されていることを確認するために、"Hello World"のようなテキストを出力する小さなアプリケーションです。

Pi用のHello Worldアプリは、PythonとVisual Studio Codeが正しくインストールされていることを確認するためのものです。

このアプリはnightlightというフォルダー内に作成されます。このフォルダーは、この課題の後半でナイトライトアプリケーションを構築する際に、異なるコードで再利用されます。

タスク - Hello World

Hello Worldアプリを作成します。

Pi上で直接、またはRemote SSH拡張機能を使用してコンピューターからPiに接続し、VS Codeを起動します。
Terminal -> New Terminalを選択するか、CTRL+`を押してVS Codeターミナルを起動します。ターミナルはpiユーザーのホームディレクトリに開きます。
以下のコマンドを実行してコード用のディレクトリを作成し、そのディレクトリ内にapp.pyというPythonファイルを作成します：
```
mkdir nightlight
cd nightlight
touch app.py
```
*File -> Open...*を選択し、nightlightフォルダーを選択してOKをクリックして、このフォルダーをVS Codeで開きます。
VS Codeエクスプローラーからapp.pyファイルを開き、以下のコードを追加します：
```
print('Hello World!')
```
print関数は、渡された内容をコンソールに出力します。
VS Codeターミナルから以下を実行してPythonアプリを実行します：
```
python app.py
```
💁 Python 2がインストールされている場合、Python 3を実行するには明示的にpython3を呼び出す必要があるかもしれません。Python 2がインストールされている場合、pythonを呼び出すとPython 2が使用されます。デフォルトでは、最新のRaspberry Pi OSバージョンにはPython 3のみがインストールされています。

ターミナルに以下の出力が表示されます：
```
pi@raspberrypi:~/nightlight $ python3 app.py
Hello World!
```

💁 このコードはcode/piフォルダーにあります。

😀 あなたの「Hello World」プログラムは成功しました！

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